4.4 Testes dinˆ amicos
4.4.3 Testes em um motor real
O pr´oximo teste foi realizado em um motor de indu¸c˜ao na Weg Equipamentos El´etricos S.A., localizada no estado de Santa Catarina, Brasil. Nas instala¸c˜oes deste
Figura 4.28: Ensaios de rise time. Em (a) Pulso de corrente aplicado de 6,4 A com tempo de subida de 9,5 µs e em (b) pulso de corrente aplicado de 17,8 A com tempo de subida de 25 µs.
fabricante, foi testado um motor de indu¸c˜ao trif´asico, modelo W22, de 220/380 VCA, rota¸c˜ao nominal de 1740 rpm, potˆencia nominal de 5,5 kW, 60 Hz, com um rotor de 28 barras.
Para observar os efeitos de barras quebradas foram fabricados seis rotores, 1 rotor saud´avel e 5 rotores com defeitos diversos, conforme tabela 4.2. O objetivo era verificar se o sensor era capaz de identificar estes defeitos.
Tabela 4.2: Rotores com defeitos diversos.
Rotor no Descri¸c˜ao
1 Sem defeito
2 Uma barra quebrada
3 Duas barras quebradas adjacentes 4 Duas barras quebradas a 90o mecˆanicos
5 Duas barras quebradas a 180omecˆanicos
6 Uma barra com resistividade aumentada
Os defeitos de barras quebradas dos rotores n´umero 2 a 5 foram simulados inse- rindo barras de cerˆamica nas ranhuras para impedir a inje¸c˜ao do alum´ınio durante o processo de fabrica¸c˜ao. O defeito da barra com resistividade aumentada no rotor n´umero 6 foi inserido com o preenchimento uma barra de cerˆamica ocupando 50% da profundidade da ranhura. Este defeito pˆode simular uma trinca que ainda n˜ao provocou cisalhamento ou uma barra com alta porosidade devido a um defeito na inje¸c˜ao do alum´ınio.
De forma a instalar o sensor o mais pr´oximo poss´ıvel do entreferro, o estator foi constru´ıdo com quatro furos radiais de 3 mm de diˆametro e 32 mm de profundidade e assim possibilitar um f´acil acesso externo para introduzir e manipular o sensor. A figura 4.29 apresenta um corte na se¸c˜ao transversal do motor sob teste na regi˜ao intermedi´aria, apontando o posicionamento do sensor na ranhura e no dente do esta- tor. Em contrapartida, como o sensor na ranhura retirou espa¸co para o enrolamento
dos fios, foi necess´aria a utiliza¸c˜ao de fios mais finos no enrolamento do estator, com isto a potˆencia ficou limitada a 80% do projeto original.
Figura 4.29: Se¸c˜ao transversal do motor.
A figura 4.30 apresenta a disposi¸c˜ao dos furos observando o motor externamente, com o acoplamento `a esquerda. Os furos 1 e 2 est˜ao na dire¸c˜ao do dente do estator e os furos 3 e 4 na dire¸c˜ao da ranhura, sendo os furos 1 e 3 sobre o anel de curto.
Figura 4.30: Disposi¸c˜ao dos furos vistos do lado externo do motor com o acoplamento `
a esquerda.
O torque resistente vari´avel foi imposto por um dinamˆometro, conforme figura 4.31, o qual consiste de um gerador de 10 kW controlado por excita¸c˜ao e a potˆencia gerada dissipada em um banco de resistores.
Os equipamentos de aquisi¸c˜ao de dados utilizados (Siemens, Alemanha, modelo LMS SCADAS com placa SCM-V8-E, Br¨uel & Kjær, Dinamarca, modelo Pulse 3560-B-020) possu´ıam conversor AD de 24 bits, banda livre de alias maior que 25,6 kHz e faixa de banda dinˆamica maior que 110 dB. A resolu¸c˜ao ajustada para captura dos sinais da fibra foi melhor que 0,64 Hz na frequˆencia de 4096 Hz.
A configura¸c˜ao do conjunto de interroga¸c˜ao ´optica foi a mesma da figura 3.13 utilizando os mesmos equipamentos e sensores empregados no teste de rise time. O set de ensaios foi montado conforme da figura 4.31, onde pode ser observado o motor sob teste, a mesa de aplica¸c˜ao de carga e os equipamentos ´opticos e o sistema de aquisi¸c˜ao de dados no canto inferior esquerdo da figura.
Cap´ıtulo 5
Resultados e Discuss˜oes
Neste cap´ıtulo s˜ao apresentados os resultados obtidos nas simula¸c˜oes em elemen- tos finitos e dos ensaios realizados em um motor real. Foram realizadas medi¸c˜oes com a fibra em diversas situa¸c˜oes de defeitos no motor e ao mesmo tempo medi¸c˜oes de corrente com o objetivo de realizar uma an´alise de assinatura de corrente da mesma forma que ´e realizada a MCSA. Ao final, o m´etodo utilizando o sensor magnetos- trictivo composto ´e comparado com a simula¸c˜ao em elementos finitos e confrontado com a o m´etodo da assinatura de corrente.
5.1
Interpreta¸c˜ao dos resultados das simula¸c˜oes
em elementos finitos
A figura 4.7 foi replicada com o objetivo de destacar os per´ıodos de passagem de barras nas duas simula¸c˜oes, com o motor saud´avel e com uma barra quebrada, antes e depois do mesmo momento da passagem da barra do rotor pelo ponto de medi¸c˜ao n´umero 3 na coroa do estator . Os intervalos 5.1 `a direita entre os pontos (a) at´e (g) foram transferidos para a tabela 1.
Tabela 5.1: Per´ıodos de passagem de barras.
Intervalo de passagem Motor Saud´avel Motor com uma de barra barra quebrada
(ms) (ms) a-b 1,10 1,10 b-c 1,10 1,30 c-d 1,10 0,90 d-e 1,00 1,00 e-f 1,10 1,10 f-g 1,20 1,10 M´edia 1,10 1,08
Figura 5.1: Densidade de fluxo magn´etico no dente da coroa do estator no ponto 3. `
A esquerda reprodu¸c˜ao da figura 4.7, e `a direita s˜ao destacados os vales (a) at´e (g) medidos com o motor saud´avel em cinza e com o motor com uma barra quebrada em vermelho.
de 1.1 ms, no entanto, com 1 barra quebrada, observou-se um per´ıodo maior antes da passagem da barra quebrada e menor depois da passagem pelo ponto 3.
Observando os pontos de passagem de barras quebradas, marcadas com (a) e (b), da figura 5.2 ´e poss´ıvel inferir a rota¸c˜ao do motor. De acordo com a simula¸c˜ao, o per´ıodo de passagem de barras ´e de 0,0614 s, que resulta em 976,2 rpm, precisamente o per´ıodo de rota¸c˜ao nominal fornecido pelo modelo original do software de EF.
A itera¸c˜ao dos fluxos do estator e das distor¸c˜oes provocadas pela ausˆencia de corrente da barra quebrada levam a tendˆencia de satura¸c˜ao no n´ucleo do rotor entre a barra anterior e a barra quebrada, conforme pode se observar na figura 4.5. A a¸c˜ao desta distor¸c˜ao ´e contr´aria ao sentido de rota¸c˜ao, provocando o alongamento do per´ıodo antes da passagem da barra quebrada pelas linhas de fluxo dos dentes do estator e encurtando ap´os a passagem conforme observado nas medi¸c˜oes registradas da passagem pelo ponto 3 na tabela 5.1. Este mecanismo se repete a cada ciclo do escorregamento provocando as bandas laterais no espectro de frequˆencia.
As simula¸c˜oes em EF mostraram ser poss´ıvel identificar o sinal da passagem de barras pelo dente do estator com o sensor proposto neste trabalho. A varia¸c˜ao da densidade de fluxo magn´etico sendo recuper´avel, a passagem de barras ´e facilmente identific´avel no dom´ınio do tempo, observando que os blocos do sinal de passagem de m´axima densidade do fluxo magn´etico representam o m´aximo da intera¸c˜ao do fluxo do entreferro com a FMM do rotor, logo s˜ao mais adequados `a observa¸c˜ao das distor¸c˜oes devido a barras quebradas.
As referˆencias [12], [13], [14] e as simula¸c˜oes realizadas em EF, conforme apre- sentado na figura 4.8, chegam a uma densidade de fluxo magn´etico no entreferro de um motor de indu¸c˜ao em torno de 1 T. No entanto, o sensor constru´ıdo apresenta a resposta linear de sensibilidade entre 50 a 250 mT, com a satura¸c˜ao m´axima em 600 mT, conforme descrito na se¸c˜ao 4.3. Por outro lado, como as linhas de fluxo no
Figura 5.2: Passagens da barra quebrada nos instantes (a) e (b). Em (b), uma maior aproxima¸c˜ao da m´axima densidade de fluxo o efeito ´e mais pronunciado.
n´ucleo do estator na regi˜ao do dente correm em sentido radial ao eixo do motor e h´a a preferˆencia das linhas de fluxo passarem pelo n´ucleo devido `a alta permeabilidade do ferro, ent˜ao ´e esperado n˜ao haver densidade de fluxo magn´etico suficiente para ser medido nos furos do dente.
Os testes foram realizados, mas foram as medi¸c˜oes no furo 2, na regi˜ao do dente do estator na dire¸c˜ao da se¸c˜ao m´edia do rotor, que produziram os melhores resul- tados. O furo 4 n˜ao ficou dispon´ıvel conforme explicado adiante. A cada novo ensaio era necess´ario posicionar e fixar adequadamente o sensor para obter a maior intensidade poss´ıvel do sinal de forma est´avel, o que demandava muito tempo.
Os resultados na medi¸c˜ao realizada no furo 2 puderam ent˜ao ser explicadas com uma simula¸c˜ao simplificada em EF, conforme a figura 5.3 (a), para observar sob quais condi¸c˜oes o sensor foi submetido. Foi constru´ıdo o modelo de um n´ucleo excitado por uma bobina em corrente alternada, um entreferro e um furo perpendicular ao entreferro. As condi¸c˜oes impostas na simula¸c˜ao foram pr´oximas `aquelas informadas pelo fabricante do motor, com a densidade de fluxo em torno de 1,3 T no entreferro e 1,6 T no ferro do n´ucleo do dente do estator. O resultado ´e apresentado na figura 5.3 (b) onde se observa o fluxo de dispers˜ao pr´oximo `as arestas do furo junto ao entreferro com o sensor alocado aleatoriamente pr´oximo a esta posi¸c˜ao. A densidade de fluxo simulada ficou entre 85 a 140 mT, dentro da faixa de sensibilidade do sensor, portanto aderente aos resultados obtidos. Como as linhas de fluxo de dispers˜ao ficam em um espa¸co muito reduzido, isto explica a dificuldade em obter as medi¸c˜oes e a instabilidade devido a fixa¸c˜ao do sensor no furo.
Figura 5.3: Simula¸c˜ao simplificada de um n´ucleo excitado por uma bobina em CA. Em (a) o modelo constru´ıdo com um furo perpendicular ao entreferro e em (b) o resultado da simula¸c˜ao da densidade de fluxo sobre o sensor no furo.